CN113533207A - 一种基于tdlas技术的高准确度检测装置及修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于TDLAS技术的高准确度检测装置及修正方法，属于气体传感技术领域；包括多通池、光电探测器、多通池温度控制装置、锁相放大器、多路采集卡、微型计算机、信号发生装置、CO2激光器驱动、CO2激光器温控、CH4激光器驱动、CH4激光器温控、CH4激光器、CO2激光器、光纤耦合器和外部温度控制装置，对气体组分及其浓度进行检测，并提供了一种背景修正方法用于提升测量准确度。本发明利用自适应温度控制装置可以在不同环境下为装置提供稳定的测量环境，同时，降低装置的功耗，利用背景修正方法可以将提高测量精度和使检测装置能够在宽温度范围的环境下实现高准确度测量。

Description

一种基于TDLAS技术的高准确度检测装置及修正方法
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，尤其涉及一种基于TDLAS技术的多组分气体检测的装置及背景修正方法。
背景技术
气体地球化学探测是一种有效地震预警和地质分析手段，地球深部气体含有大量地质信息，利用断裂气流通道可以探知地壳深部构造的动态信息，气体具有流动性强和流动范围广的特点，对气体浓度准确监测是一种有效的地震预警手段，尤其是对多组分地球化学气体的原位检测具有重大的意义。
可调谐二极管激光吸收光谱技术由于高灵敏、环境适应性强和快速响应的特点已经被成功应用于工业分析、环境监测和医疗诊断等领域。目前，能够应用于野外环境的TDLAS系统主要分为两类，一是利用高精度温度控制系统将气体及系统核心部件多通池调控到恒温恒压的条件下。例如，太原科技大学李传亮教授研究团队，在恒温恒压条件下利用一只2.3μm半导体激光器实现CO和CH4，浓度测量准确度达到97％；另一种是利用免标定技术修正复杂环境下气体温度、压强和初始光强的造成的误，例如，B Buchholz在2017年研制的机载、免标定TDLAS系统实现H2O宽浓度范围测量，测量范围从2ppmv到40000ppmv，测量准确度为4.3％。免标定技术是基于测量来修正气体浓度，会引出误差造成检测准确度降低。为了准确测量气体浓度高精度温度控制成为必然。由于高精度控制系统在环境温度与目标温度变化较大时功率达到kW量级，难以实现野外流动观测，因此，自适应温控成为一种必然，它也将成为未来发展的趋势。作为检测系统的核心多通池，受温度影响，气体分子吸收特性及压强均受温度的影响。因此，必须进行多参量背景修正来提高测量准确度。
综上所述，如何实现功耗低、环境适应性强、稳定性好、灵敏度高的原位检测装置是气体地球化学探测领域的重要课题之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中用TDLAS技术检测系统在野外测量时，出现在恒温恒压条件下测量引起功耗过大，在温度变化的条件下造成测量不准确的问题，一种基于TDLAS技术的高准确度检测装置及修正方法。
为实现上述目的，本发明的一种基于TDLAS技术的高准确度检测装置及修正方法的具体技术方案如下：
一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置，包括多通池温度控制装置，多通池温度控制装置内设置多通池和光电探测器；
多通池的入口管路上设置进气口比例阀和压力传感器，多通池的出口管路上设置出气口比例阀和真空泵；
多通池的入口与光纤耦合器的出口光学连接，多通池的出口与光电探测器的一端光学连接；
光电探测器的另一端与锁相放大器和多路采集卡电学连接，且多路采集卡同时与锁相放大器电性连接，多路采集卡还与微型计算机的一端电性连接，微型计算机的另一端与信号发生装置的一端电性连接；
信号发生装置的另一端分别与CO2激光器驱动、CO2激光器温控、CH4激光器驱动和CH4激光器温控电性连接，CO2激光器驱动和CO2激光器温控共同与CO2激光器电性连接，CH4激光器驱动和CH4激光器温控共同与CH4激光器电性连接；CH4激光器和CO2激光器分别与光纤耦合器的两个入口光学连接；
以上所有部件均设置在外部温度控制装置中。
进一步，多通池上设置有第三温度传感器，多通池温度控制装置上设置有第二温度传感器，所述外部温度控制装置上设置有第一温度传感器。
本发明还提供了一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的使用方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤1：利用温度传感器测量环境温度，并设置外部温度控制装置和多通池温度控制装置内部的温度高于环境温度；
步骤2：待温度稳定后，打开进气口比例阀、出气口比例阀和真空泵，充入待测试样品气体，待外部温度控制装置和多通池温度控制装置内部的残余气体全部被置换后，关闭进气口比例阀，并将多通池的压力控制到40Torr，关闭出气口比例阀和真空泵；
步骤3：开启CH4激光器和多路采集卡，开始测量待测试样品气体中的CH4气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值，测量完成后关闭CH4激光器，开启CO2激光器，开始测量待测试样品气体中的CO2气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值；
步骤4：利用背景修正算法对甲烷和二氧化碳浓度进行修正，首先根据公式一修正由于初始光强变化导致的测量误差；
步骤5：然后对步骤4修正后的数据使用公式二修正由于气体温度改变对测量结果的影响；
步骤6：对步骤5中修正后的数据利用高斯光束能量分布理论和初始光强变化量公式三，修正有效吸收光程；
步骤7：对步骤6中修正后的数据，使用公式四修正在温度变化的情况下，保持压强不变而引入的误差；
步骤8：根据实际测试得出不同温度下的系统常数k(T)，对步骤7修正后的气体浓度数据做最后一步修正。
进一步，步骤4：基于比尔-朗伯定律和波长调制吸收光谱理论可知初始光强与系统输出成正比关系，根据测量时初始光强I与标定时初始光强I0比值，对系统输出进行修正，光强修正系数KI可用如下公式表示：
Figure BDA0003181094940000031
I0是标定温度25℃下的初始光强，I是当前温度下的初始光强；
步骤5：气体目标温度变化会影响吸收线强度和吸收因子，气体温度修正因子可用如下公式表示：
Figure BDA0003181094940000041
T是当前温度，T0是仪器标定温度；α0是标定温度25℃下的吸收系数，S是标定温度25℃下的吸收线强，α0(T)是当前温度下的吸收系数，S(T)是当前温度25℃下的吸收线强；
步骤6：根据高斯光束能量分布理论和初始光强变化量，获取镜片相对偏移量D(L)，根据相对偏移量来修正多通池的有效光程误差，光程修正因子可用如下公式表示；
KL(T,I0)＝sgn(T-T0)×L(D(I0)) 公式三
D(I0)是光斑位移量，L(D(I0))是光程变化量；
根据高斯光束能量分布理论和初始光强变化量，高斯光束能量服从正态分布，根据光强的变化，可以计算光斑位移情况，根据光斑位移即可求得光程变化；
步骤7：根据理想气体普适方程，在保持压强不变的情况下，分子数随着温度的增加而较小，可以如下公式修正温度对气体分子数的影响，在保证气体压强不变的情况下，气体压强会改变吸收线展宽，为了避免压强造成误差，本方法选择在不同温度下，将气体控制到同一压强；
Figure BDA0003181094940000042
步骤8：利用同一浓度气体测量装置在不同目标温度下的影响，求得不同温度下的系统常数k(T)；
利用系统输出和上述修正系数求得修正后系统的输出，可用如下公式表示：
2fcor(T)＝k(T)KT(T)KC(T)KI(T)KL(T,I0)2fmax(T) 公式五
本发明的一种基于TDLAS技术的多组分气体检测的装置及背景修正方法具有以下优点：利用自适应温度控制装置可以在不同环境下为装置提供稳定的测量环境，同时，降低装置的功耗，利用背景修正方法可以将提高测量精度和使检测装置能够在宽温度范围的环境下实现高准确度测量。
附图说明
图1为本发明一种基于TDLAS技术的多组分气体测量的装置及背景修正方法采用的装置结构框图。
图2为本发明的提出一种基于TDLAS技术的多组分气体测量的装置及背景修正方法的检测流程图。
图3为本发明的提出一种基于TDLAS技术的多组分气体测量的背景修正方法的检测流程图。
图中标记说明：1、进气口比例阀；2、出气口比例阀；3、真空泵；4、压力传感器；5、多通池；6、光电探测器；7、多通池温度控制装置；8、锁相放大器；9、多路采集卡；10、微型计算机；11、信号发生装置；12、CO2激光器驱动；13、CO2激光器温控；14、CH4激光器驱动；15、CH4激光器温控；16、CH4激光器；17、CO2激光器；18、光纤耦合器；19、外部温度控制装置；20、第一温度传感器；21、第二温度传感器；22、第三温度传感器。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于TDLAS技术的高准确度检测装置及修正方法做进一步详细的描述。
一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置，包括多通池温度控制装置7，多通池温度控制装置7内设置多通池5和光电探测器6；
多通池5的入口管路上设置进气口比例阀1和压力传感器4，多通池5的出口管路上设置出气口比例阀2和真空泵3；
多通池5的入口与光纤耦合器18的出口光学连接，多通池5的出口与光电探测器6的一端光学连接；
光电探测器6的另一端与锁相放大器8和多路采集卡9电学连接，且多路采集卡9同时与锁相放大器8电性连接，多路采集卡9还与微型计算机10的一端电性连接，微型计算机10的另一端与信号发生装置11的一端电性连接；
信号发生装置11的另一端分别与CO2激光器驱动12、CO2激光器温控13、CH4激光器驱动14和CH4激光器温控15电性连接，CO2激光器驱动12和CO2激光器温控13共同与CO2激光器17电性连接，CH4激光器驱动14和CH4激光器温控15共同与CH4激光器16电性连接；CH4激光器16和CO2激光器17分别与光纤耦合器18的两个入口光学连接；
以上所有部件均设置在外部温度控制装置19中。
在本实施方式中，多通池5上设置有第三温度传感器22，多通池温度控制装置7上设置有第二温度传感器21，所述外部温度控制装置19上设置有第一温度传感器20。
一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的使用方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤1：利用温度传感器测量环境温度，并设置外部温度控制装置19和多通池温度控制装置7内部的温度高于环境温度；
步骤2：待温度稳定后，打开进气口比例阀1、出气口比例阀2和真空泵3，充入待测试样品气体，待外部温度控制装置19和多通池温度控制装置7内部的残余气体全部被置换后，关闭进气口比例阀1，并将多通池5的压力控制到40Torr，关闭出气口比例阀2和真空泵3；
步骤3：开启CH4激光器16和多路采集卡9，开始测量待测试样品气体中的CH4气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值，测量完成后关闭CH4激光器16，开启CO2激光器17，开始测量待测试样品气体中的CO2气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值；
步骤4：利用背景修正算法对甲烷和二氧化碳浓度进行修正，首先根据公式(1)修正由于初始光强变化导致的测量误差；
步骤5：然后对步骤4修正后的数据使用公式(2)修正由于气体温度改变对测量结果的影响；
步骤6：对步骤5中修正后的数据利用高斯光束能量分布理论和初始光强变化量公式(3)，修正有效吸收光程；
步骤7：对步骤6中修正后的数据，使用公式(4)修正在温度变化的情况下，保持压强不变而引入的误差；
步骤8：根据实际测试得出不同温度下的系统常数k(T)，对步骤7修正后的气体浓度数据做最后一步修正。
在本实施方式中，步骤4：基于比尔-朗伯定律和波长调制吸收光谱理论可知初始光强与系统输出成正比关系，根据测量时初始光强I与标定时初始光强I0比值，对系统输出进行修正，光强修正系数KI可用如下公式表示：
Figure BDA0003181094940000071
I0是标定温度25℃下的初始光强，I是当前温度下的初始光强；
步骤5：气体目标温度变化会影响吸收线强度和吸收因子，气体温度修正因子可用如下公式表示：
Figure BDA0003181094940000072
T是当前温度，T0是仪器标定温度；α0是标定温度25℃下的吸收系数，S是标定温度25℃下的吸收线强，α0(T)是当前温度下的吸收系数，S(T)是当前温度25℃下的吸收线强；
步骤6：根据高斯光束能量分布理论和初始光强变化量，获取镜片相对偏移量D(L)，根据相对偏移量来修正多通池(5)的有效光程误差，光程修正因子可用如下公式表示；
KL(T,I0)＝sgn(T-T0)×L(D(I0)) (3)
D(I0)是光斑位移量，L(D(I0))是光程变化量；
步骤7：根据理想气体普适方程，在保持压强不变的情况下，分子数随着温度的增加而较小，可以如下公式修正温度对气体分子数的影响；
Figure BDA0003181094940000081
步骤8：利用同一浓度气体测量装置在不同目标温度下的影响，求得不同温度下的系统常数k(T)。
实施例1：
利用提出的多组分气体检测装置在30℃环境下对标准气(299.4ppmv CH4，560.8ppmv CO2)进行测量为例(仪器设计和标定温度为25℃，初始光强甲烷为200mV，二氧化碳为120mV)，阐述本发明提出的一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置及背景修正方法的实现过程，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤1：利用温度传感器测量环境温度为30℃，根据环境温度将外部温度控制装置19的目标温度设置为31℃，多通池温度控制装置7的目标温度设置为32℃；
步骤2：待温度稳定后，打开进气口比例阀1、出气口比例阀2和真空泵3，充入样品标准气，待残余气体全部被置换后，关闭进气口比例阀1将多通池5的压力控制到40Torr，关闭出气口比例阀2和真空泵3；
步骤3：开启CH4激光器16和多路采集卡9，开始测量CH4气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值。甲烷输出的浓度为270ppmv，扫描信号幅值为195.1mV。测量完成后关闭CH4激光器16，开启CO2激光器17，开始测量CO2气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值。甲烷输出的浓度为545ppmv，扫描信号幅值为126.1mV；
步骤4：利用背景修正算法对甲烷和二氧化碳浓度进行修正，首先根据公式(1)修正由于初始光强变化导致的测量误差，修正后的浓度CH4为276.78ppmv、CO2为518.64ppmv；
步骤5：根据公式(2)修正由于气体温度改变对测量结果的影响，修正后的浓度CH4为288.31ppmv和CO2为540.25ppmv；
步骤6：利用高斯光束能量分布理论和初始光强变化量根据公式(3)，修正有效吸收光程，温度增加5℃，有效光程增加14.34mm，修正后的浓度CH4为289.3ppmv和CO2为542.11ppmv；
步骤7：根据公式(4)，修正在温度变化的情况下，保持压强不变而引入的误差，修正后的浓度CH4为294.15ppmv和CO2为551.21ppmv；
步骤8：根据实际测试得出不同温度下的系统常数k(T)，对气体浓度进一步修正，30℃系统常数为25℃系统常数的0.98.修正后的浓度CH4为300.15ppmv和CO2为562.46ppmv；
修正后CH4准确度从90％提升到99.75％，CO2准确度从98.15％提升到99.7％，可以看出利用背景修正的方法，可以提升测量准确度和使检测系统适应宽温度范围。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于TDLAS技术的多组分气体检测装置，其特征在于，包括多通池温度控制装置(7)，多通池温度控制装置(7)内设置多通池(5)和光电探测器(6)；
多通池(5)的入口管路上设置进气口比例阀(1)和压力传感器(4)，多通池(5)的出口管路上设置出气口比例阀(2)和真空泵(3)；
多通池(5)的入口与光纤耦合器(18)的出口光学连接，多通池(5)的出口与光电探测器(6)的一端光学连接；
光电探测器(6)的另一端与锁相放大器(8)和多路采集卡(9)电学连接，且多路采集卡(9)同时与锁相放大器(8)电性连接，多路采集卡(9)还与微型计算机(10)的一端电性连接，微型计算机(10)的另一端与信号发生装置(11)的一端电性连接；
信号发生装置(11)的另一端分别与CO2激光器驱动(12)、CO2激光器温控(13)、CH4激光器驱动(14)和CH4激光器温控(15)电性连接，CO2激光器驱动(12)和CO2激光器温控(13)共同与CO2激光器(17)电性连接，CH4激光器驱动(14)和CH4激光器温控(15)共同与CH4激光器(16)电性连接；CH4激光器(16)和CO2激光器(17)分别与光纤耦合器(18)的两个入口光学连接；
以上所有部件均设置在外部温度控制装置(19)中。
2.根据权利要求1所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置，其特征在于，多通池(5)上设置有第三温度传感器(22)，多通池温度控制装置(7)上设置有第二温度传感器(21)，所述外部温度控制装置(19)上设置有第一温度传感器(20)。
3.一种如权利要求1所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的修正方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤1：利用温度传感器测量环境温度，并设置外部温度控制装置(19)和多通池温度控制装置(7)内部的温度高于环境温度；
步骤2：待温度稳定后，打开进气口比例阀(1)、出气口比例阀(2)和真空泵(3)，充入待测试样品气体，待外部温度控制装置(19)和多通池温度控制装置(7)内部的残余气体全部被置换后，关闭进气口比例阀(1)，并将多通池(5)的压力控制到40Torr，关闭出气口比例阀(2)和真空泵(3)；
步骤3：开启CH4激光器(16)和多路采集卡(9)，开始测量待测试样品气体中的CH4气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值，测量完成后关闭CH4激光器(16)，开启CO2激光器(17)，开始测量待测试样品气体中的CO2气体浓度，同时采集测量过程中的扫描信号幅值；
步骤4：利用背景修正算法对甲烷和二氧化碳浓度进行修正，首先根据公式修正由于初始光强变化导致的测量误差；
步骤5：然后对步骤4修正后的数据使用公式修正由于气体温度改变对测量结果的影响；
步骤6：对步骤5中修正后的数据利用高斯光束能量分布理论和初始光强变化量公式，修正有效吸收光程；
步骤7：对步骤6中修正后的数据，使用公式修正在温度变化的情况下，保持压强不变而引入的误差；
步骤8：根据实际测试得出不同温度下的系统常数k(T)，对步骤7修正后的气体浓度数据做最后一步修正。
4.根据权利要求3所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的修正方法，其特征在于，所述步骤4中具体使用的公式如下：
步骤4：基于比尔-朗伯定律和波长调制吸收光谱理论可知初始光强与系统输出成正比关系，根据测量时初始光强I与标定时初始光强I0比值，对系统输出进行修正，光强修正系数KI可用如下公式表示：
Figure FDA0003181094930000021
I0是标定温度25℃下的初始光强，I是当前温度下的初始光强。
5.根据权利要求3所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的修正方法，其特征在于，所述步骤5中具体使用的公式如下：
步骤5：气体目标温度变化会影响吸收线强度和吸收因子，气体温度修正因子可用如下公式表示：
Figure FDA0003181094930000031
T是当前温度，T0是仪器标定温度；α0是标定温度25℃下的吸收系数，S是标定温度25℃下的吸收线强，α0(T)是当前温度下的吸收系数，S(T)是当前温度25℃下的吸收线强。
6.根据权利要求3所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的修正方法，其特征在于，所述步骤6中具体使用的公式如下：
步骤6：根据高斯光束能量分布理论和初始光强变化量，获取镜片相对偏移量D(L)，根据相对偏移量来修正多通池(5)的有效光程误差，光程修正因子可用如下公式表示；
KL(T,I0)＝sgn(T-T0)×L(D(I0)) 公式三
D(I0)是光斑位移量，L(D(I0))是光程变化量。
7.根据权利要求3所述的基于TDLAS技术的多组分气体检测装置的修正方法，其特征在于，所述步骤7中具体使用的公式如下：
步骤7：根据理想气体普适方程，在保持压强不变的情况下，分子数随着温度的增加而较小，可以如下公式修正温度对气体分子数的影响；
Figure FDA0003181094930000032
步骤8：利用同一浓度气体测量装置在不同目标温度下的影响，求得不同温度下的系统常数k(T)。
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